Como calcular potência, corrente e tensão: princípios e exemplos de cálculo para condições domésticas

Proprietários de apartamentos, casas e outros objetos eletrificados frequentemente se deparam com a questão de determinar os valores das grandezas elétricas fundamentais, pois calcular a potência a partir da corrente admissível e tensão conhecida, ou resolver o problema inverso, não é muito simples.

A aplicação direta da conhecida Lei de Ohm sem considerar as particularidades das redes e aparelhos domésticos pode levar a um resultado incorreto.

Neste material, vamos entender o que é potência e explicar como calcular esse indicador.

Conceitos fundamentais das grandezas

Os cálculos eletrotécnicos baseiam-se nas relações conhecidas entre corrente (I, Ampère), tensão (U, Volt), potência (P, Watt) e resistência (R, Ohm). Os cálculos práticos geralmente exigem o conhecimento dos valores do primeiro trio.

Atenção: apenas expressões numéricas das grandezas listadas não são suficientes – são necessárias características adicionais que revelem o regime de consumo de eletricidade.

Corrente elétrica

O cálculo da seção transversal suficiente dos condutores e da corrente nominal do disjuntor para um ramo específico da rede elétrica é realizado de acordo com o valor máximo possível de corrente para esse trecho. Isso é necessário para evitar situações de superaquecimento da fiação, que frequentemente levam a incêndios.

Os parâmetros operacionais dos disjuntores e dos dispositivos DR são escolhidos de acordo com os requisitos normativos. Para determinar a seção transversal admissível dos condutores em função da corrente máxima possível, é necessário usar a tabela fornecida pelo fabricante do produto, pois os cabos geralmente são fabricados conforme especificações técnicas (TU) e não conforme GOST.

Com a mesma marcação, os cabos fabricados conforme GOST (à esquerda) e conforme TU (à direita) diferem tanto visualmente quanto nas características principais.

Como a corrente elétrica pode ser calculada a partir da potência consumida pelos aparelhos e da tensão da rede, é necessário determinar corretamente os valores desses dois indicadores.

Tensão nas redes domésticas

Muitos proprietários de apartamentos acreditam que a tensão padrão na fase para uso doméstico é aproximadamente 220 V. Na maioria dos casos, isso realmente é assim. Embora de acordo com a GOST 29322-2014, a partir de 01.10.2015, dentro da Federação Russa, deveria ter ocorrido a transição para um sistema de 230 V compatível com os países da CEE.

O desvio de 5% do padrão é aceitável por qualquer período, e 10% por um período não superior a 1 hora. Assim, pelas regras antigas, o valor da tensão pode variar na faixa de 198 a 242 V, e pelo GOST atual, de 207 a 253 V.

Também há casos em que a tensão na rede fica significativamente abaixo do padrão por um longo período. Essa situação ocorre quando a potência total dos aparelhos elétricos conectados ao ramal é muito maior que o planejado e, quando a maioria deles é ligada, ocorre uma “queda de tensão”.

Esse problema ocorre na área de responsabilidade das organizações responsáveis pelo fornecimento de energia elétrica e está relacionado à sobrecarga dos transformadores de distribuição, ao desgaste das subestações ou à seção insuficiente dos fios.

A tensão de entrada reduzida leva não apenas à alteração do parâmetro de corrente e ao possível acionamento da proteção, mas também à rápida quebra de aparelhos elétricos que contêm motores elétricos assíncronos ou eletrônicos complexos.

Para descobrir o valor da tensão real, é necessário realizar medições periodicamente usando um voltímetro. Se as leituras variarem muito, então é necessário usar um estabilizador ou um conversor mais caro com função de armazenamento de energia.

Nuances no conceito de potência dos aparelhos elétricos

Todos os dispositivos que consomem eletricidade têm um parâmetro como a potência. Quanto maior esse valor, mais energia o aparelho retira do circuito.

Existem três tipos de potência:

• Ativa (P). Caracteriza a taxa de conversão de energia elétrica em outro tipo, por exemplo, eletromagnética ou térmica. Ela deve ser considerada no cálculo dos custos irreversíveis de energia elétrica e, portanto, do custo de funcionamento do aparelho. Unidade de medida – W.
• Reativa (Q). Caracteriza a energia que vem da fonte (transformador) para os elementos reativos do consumidor (capacitores, enrolamentos do motor), mas depois retorna quase instantaneamente à fonte. Unidade de medida – W ou var (abreviação – volt-ampère reativo).
• Aparente (S). Caracteriza a carga que o consumidor impõe aos elementos do circuito. É usada no cálculo da área da seção transversal do cabo e na escolha da classificação dos disjuntores, ou seja, o cálculo da corrente é feito com base na potência aparente de todos os aparelhos elétricos conectados ao circuito. Unidade de medida – W ou V*A (V*A – volt-ampères).

Todos esses parâmetros podem ser recalculados através do ângulo de deslocamento de fase, que surge entre o vetor de tensão e a corrente (f):

P = S * cos(f);

Q = S * sin(f);

S² = P² + Q².

Os dispositivos domésticos nos quais a potência aparente pode exceder significativamente a potência ativa incluem refrigeradores, máquinas de lavar, lâmpadas fluorescentes e algumas lâmpadas econômicas, bem como fontes de alimentação de eletrônica de potência.

Nos motores geralmente são indicados a potência ativa e o fator de potência. Nesse caso, a potência aparente é calculada assim: S = P / cos(f) = 750 / 0.78 = 962 W

Também existe o conceito de potência de pico ou de partida. O fato é que para acelerar os motores é necessário muito mais esforço do que para manter sua rotação. Portanto, ao ligar aparelhos como refrigeradores ou máquinas de lavar, ocorre um pico momentâneo de carga no trecho do circuito.

As correntes de partida podem ser várias vezes superiores às correntes de operação. Ao calcular a seção transversal dos cabos necessária e selecionar o valor nominal do disjuntor, isso deve ser levado em consideração.

Para isso, é necessário identificar o dispositivo com a maior diferença entre a potência de partida e a de operação e adicioná-la ao valor total. As correntes de partida dos demais dispositivos podem ser desconsideradas, pois a probabilidade de acionamento simultâneo dos motores de diferentes consumidores é praticamente nula.

Relações lineares e de fase

Atualmente, tornou-se comum a prática de conectar instalações residenciais a redes elétricas trifásicas.

Isso se justifica pelos seguintes motivos:

• Consumo significativo de energia elétrica. Neste caso, a alimentação de uma rede monofásica de alta potência seria muito antieconômica devido à grande seção transversal do cabo e à alta intensidade de material do transformador.
• Presença de aparelhos que funcionam com três fases. A implementação do esquema de conexão de tal dispositivo a um circuito monofásico não é muito simples e está sujeita a interferências que ocorrem, por exemplo, na partida de um motor de indução.

Existem duas formas de conectar dispositivos trifásicos – “estrela” e “triângulo”.

Esquemas elétricos de transmissão de energia elétrica por três fases. Os nomes “estrela” e “triângulo” foram dados devido à semelhança geométrica com esses objetos.

Em circuitos do tipo “estrela”, as correntes de linha e de fase são idênticas, e a tensão de linha é 1,73 vezes maior que a tensão de fase:

I_l = I_f;

U_l = 1.73 * U_f.

Esta fórmula explica a conhecida relação de tensões para redes domésticas e industriais de baixa tensão de frequência 50 Hz: 220 / 380 V (de acordo com o novo GOST: 230 / 400 V).

Na conexão em triângulo, ao contrário, a tensão é a mesma, e as correntes de linha são maiores que as de fase:

I_l = 1.73 * I_f;

U_l = U_f.

Estas fórmulas só podem ser aplicadas com carga simétrica das fases. Se o consumo de corrente pelos cabos for diferente (receptor assimétrico), os cálculos são realizados usando as regras da álgebra vetorial, e a corrente de equalização resultante é compensada pelo fio neutro. No entanto, para redes com aparelhos domésticos conectados, esses casos são raros.

Inter-relação das grandezas fundamentais

A tarefa mais comum enfrentada pelos consumidores comuns consiste em calcular a corrente real atuante. Então, como calcular corretamente a amperagem a partir de valores conhecidos de tensão e potência? É necessário resolvê-la ao justificar os valores da seção dos condutores e da classificação do disjuntor, tendo as informações técnicas sobre os dispositivos que serão alimentados neste circuito.

Após calcular a corrente, muitas vezes são escolhidos cabos com a menor seção transversal permitida. No entanto, isso nem sempre é correto, pois tal decisão leva a limitações significativas quando for necessário adicionar novos aparelhos elétricos à rede.

Às vezes, é necessário realizar cálculos inversos e determinar qual potência total pode ser conectada a dispositivos com tensão conhecida e corrente máxima permitida, que é limitada pela fiação existente.

Resolver esses dois problemas para um circuito monofásico pode ser feito com uma fórmula simples:

I = S / U;

S = U * I,

onde S é a potência total aparente de todos os consumidores elétricos.

O diagrama circular que reflete a lei de Ohm e expressa a dependência entre potência, corrente, tensão e resistência é adequado para calcular os parâmetros de um circuito monofásico.

Para resolver o problema de calcular a corrente a partir de valores conhecidos ou calculados de potência e tensão em um circuito trifásico, é necessário conhecer a carga total imposta a cada fase.

E a seção necessária dos condutores do cabo e a classificação mínima permitida do disjuntor são selecionadas pela linha mais carregada, considerando que:

S = 3 * max{S₁, S₂, S₃}.

I = S / (U * 1.73).

A potência permitida para cada uma das fases pode ser calculada pela seguinte fórmula:

S_1,2,3 < S / 3 = I * U / 1.73,

onde I é a corrente máxima permitida para a fiação existente.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Cálculo da corrente a partir da potência para seleção da seção do cabo:

Determinação da potência consumida por grupos de aparelhos elétricos no exemplo de uma casa particular:

O cálculo da corrente para determinar os parâmetros da fiação ou a determinação da potência permitida em um circuito já existente pode ser feito por conta própria. Para resolver corretamente o problema proposto, é necessário considerar as nuances que surgem na prática, e não apenas usar fórmulas conhecidas que funcionam em condições “ideais”.

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